填充顏料(填料)從名稱上看可能就會(huì)被人忽視。但實(shí)際上,填料對(duì)大多數(shù)著色涂層的性能均有很大影響。填料類型多,性能差異大,大多數(shù)涂料配方人員尚未徹底搞清其性能和最佳應(yīng)用場(chǎng)合。
白色填充顏料是折光指數(shù)相當(dāng)?shù)偷牡V物性物料,互相之間的區(qū)別在于組成、粒徑和粒形,在有光和半光涂料中呈現(xiàn)出很低的遮蓋性能,但在平光漆中卻能在低成本的基礎(chǔ)上賦予涂層一種“高干遮蓋”效應(yīng)(空氣/顏料界面間)。因此,填料可用于調(diào)整涂料的光澤、質(zhì)地、懸浮性、粘度等,填料的主要類型有碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽和氧化物。
實(shí)用填料的粒徑范圍是0.01~44μm,形態(tài)有球形、針狀、纖維狀和片狀。填料粒子形態(tài)影響其包裝、涂膜的柔韌性和龜裂性等。粒徑和粒徑分布影響遮蓋力、粘度、涂膜孔隙度、介質(zhì)和表面活性劑需求量、光澤和細(xì)度等。填料與涂料基料之間反應(yīng)性是很重要的,它將影響涂膜的耐鹽霧、起泡、銹蝕和龜裂性能。
在用一種填料取代另一種填料,以生產(chǎn)相當(dāng)涂料性能方面已進(jìn)行了大量工作,并發(fā)現(xiàn)當(dāng)填料互相以等重量或等體積進(jìn)行替代時(shí),會(huì)產(chǎn)生不同的涂料性能如:稠度、耐久性、滲透性、耐擦洗性、耐污染性、保光性等等。
填料是通過研磨天然礦石,或通過化學(xué)沉淀后再加工精制和粒度分級(jí)而制得的,其分離過程包括用濕法或干法篩分,浮選和離心分離。原料和加工工藝可能影響其顏料性能。
碳酸鈣或白土:CaCO3
內(nèi)用或外用涂料中,這是一類最常用的填料,作用在于控制涂料的光澤、防霉、稠度和降低成本。碳酸鈣有天然和人工合成(沉淀法生產(chǎn))兩種類型,粒徑范圍極廣,0.05~44 μm都可適用。天然碳酸鈣用量很大,因其價(jià)格便宜,在有些用途中是相當(dāng)合適的。粒徑較粗的品種只限制用于膩?zhàn)、嵌縫漿、金屬用底漆和其它高顏料份、要求流動(dòng)和粗糙面的制品中。粗粒徑碳酸鈣消光能力很低。中等粒徑品種主要用于內(nèi)用平光和半光涂料以及房屋用涂料。細(xì)粒徑品種大部份是通過沉淀法生產(chǎn)的,用于印刷油墨。通常是將兩種粒徑的碳酸鈣配合使用以獲得性能平衡。
天然碳酸鈣填料的原料有石灰石、大理石、英國碳酸鈣。大多數(shù)品種CaCO3含量為95%~99 %。有些品種是干磨后再經(jīng)浮選而制備的。較細(xì)的是用濕磨,隨后再通過沉淀或離心法分級(jí)。許多品牌之間的粒形、平均粒徑、粒徑分布和純度差別很大。
天然碳酸鈣填料也廣泛地應(yīng)用于戶外房屋用涂料,可單獨(dú)應(yīng)用,也可與滑石粉配用。與滑石粉相比,天然碳酸鈣能降低粉化速率,改進(jìn)保色性,提高抗污染性能。上述用途提出了對(duì)粒徑的特定要求。細(xì)粒徑品種,尤其是稱為“微細(xì)”級(jí)品種,能使涂層產(chǎn)生裂紋傾向。經(jīng)過測(cè)試證明這類碳酸鈣填料粒徑應(yīng)較大,介質(zhì)需求量較低,活性也應(yīng)較低。這類填料也適用于戶外房屋用乳膠漆以提高保色性能。碳酸鈣是堿性物質(zhì),在水基涂料中可起到緩沖劑作用,但不能與對(duì)堿敏感性彩色顏料一起共 用,如鐵藍(lán)和鉻綠;也不能用于可能遇有水溶性鐵鹽或銅鹽之場(chǎng)合。碳酸鈣不能用于酸性催化的三聚氰胺聚酯烘漆,因?yàn)闀?huì)與催化劑發(fā)生中和反應(yīng)。作為一種類型,沉淀或合成碳酸鈣填料的CaCO3含量為98%~99%,其粒徑小,粒徑分布狹窄,吸油量高,亮度高于天然產(chǎn)品。其中更好品牌的粒徑范圍為0.03~8μm,正屬于膠體范圍。有報(bào)道說,對(duì)于內(nèi)用乳膠漆和紙張涂層遮蓋力來看,其最佳粒徑約為0.2μm。沉淀碳酸鈣最適用于需要最高干遮蓋力的場(chǎng)合。有些品種經(jīng)過松香或脂肪酸表面處理,進(jìn)一步改進(jìn)了其濕潤(rùn)和分散性能,用于有光涂料中也無明顯失光傾向。在有些配方中能降低表面孔隙的滲透性,因而提高了頭道涂層的封閉作用。
硅酸鎂或滑石粉:2MgO•4SiO2•H2O
這是一類貯量豐富的礦物,世界各地多有開采,其晶型和相關(guān)物理特征隨產(chǎn)地不同而有區(qū)別,通常是各種晶型的混合物。工業(yè)生產(chǎn)的滑石粉對(duì)涂料性能的影響受其結(jié)構(gòu)類型或混合物類型、平均粒徑和粒徑分布的控制。因?yàn)榇蠖鄶?shù)滑石粉產(chǎn)品基本是纖維狀或片狀,所以其分類也是以此為基礎(chǔ)的。纖維狀滑石粉戶外耐久性最好,但在涂料中流動(dòng)性較差,涂膜平整度也不足。片狀滑石粉能賦予涂料優(yōu)異的可刷性、流平性、涂膜平整度和保光性,也能賦予涂料或油墨一種“潤(rùn)滑”性能。粒狀滑石粉數(shù)量很少,但具有最好的粘附性和可磨性,這就表明其適用于可打磨的封閉漆或表層涂料。
許多品牌滑石粉是專為特殊用途或目的而設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的,其粒徑從相當(dāng)粗、吸油量很低的大粒徑到吸油量很高的“超細(xì)”級(jí)而變化,后者的Hegman細(xì)度值可高到7。市場(chǎng)上也有經(jīng)過表面處理、吸油量很低、Hegman細(xì)度值只有6~7的滑石粉品種,這類品種適用于有光磁級(jí);鄣男阅芤搽S要求不同而有區(qū)別;鄣母煞哿炼雀,在水性和油性系統(tǒng)中的色相均較好;墼谒幸后w涂料中都容易濕潤(rùn)和分散,如有機(jī)溶劑、清漆、醇酸和水性體系;分散過程中僅需要適度的攪拌;墼谕苛现芯哂袃(yōu)異的懸浮性,也能有助于體系中其它顏料保持懸浮狀態(tài)。
粒徑較粗的滑石粉適用于一些要求粗糙涂膜或“有齒紋”的涂膜,例如內(nèi)墻用漆、底漆和縐紋漆。粒徑中等的品種(Hegman細(xì)度值大約為4)適用于房屋用漆,也可作一般填料使用。Hegman細(xì)度值為5~7的超細(xì)級(jí)滑石粉適用于控制半光涂料的光澤、稠度和流掛性能;墼谀z泥、裂縫填充劑和膩?zhàn)又杏昧亢艽蟆L厥猱a(chǎn)品根據(jù)要求不同決定選用粗粒徑或細(xì)粒徑滑石粉。
滑石粉可應(yīng)用于多種工業(yè)涂料中,尤其是底漆。鋼材結(jié)構(gòu)用底漆可全部或部份用滑石粉,可改進(jìn)涂料的沉淀性、涂膜的機(jī)械力以及再涂覆性。許多制品和閃烘底漆和運(yùn)輸工具用漆優(yōu)先選用滑石粉。包括滑石在內(nèi)的片狀硅酸鎂因其能提高打磨和抗水性能,所以適用于金屬底漆,其中抗水性能可能源自片狀粒子延伸了濕氣通過涂膜的途徑。
硅酸鋁或瓷土、高嶺土:Al2O3•2SiO2•2H2O
瓷土(高嶺土)類填料的組成基本是硅酸鋁,產(chǎn)于美國卡羅來納、佐治亞州以及英格蘭等地。最初,瓷土作為一種廉價(jià)的填充料消費(fèi)于造紙工業(yè),目前仍在大量應(yīng)用。近年來,生產(chǎn)商正使瓷土向適用于涂料工業(yè)發(fā)展。原先生產(chǎn)中只是簡(jiǎn)單地通過空氣干燥和浮選,現(xiàn)在已被水洗、嚴(yán)格地粒度控制、煅燒和表面處理所代替,從而提高了產(chǎn)品的檔次。在這些改革中,煅燒是最重要的工序,所以規(guī)模很大。瓷土粒子形態(tài)絕大部分是薄片狀,或六角形片狀物。用途最廣的品種粒徑大約10μm。所有品種的瓷土都具有不同程度的親水性,化學(xué)上都是中性,非煅燒品種的吸油量為25~44,煅燒品種為48~58。亮度為80%~92%反射值。瓷土填料每加侖體積大約重21.6磅,比碳酸鈣大約少1磅。由于其片狀體能增強(qiáng)涂膜機(jī)械力,所以瓷土能賦予涂膜柔軟性。如果用于房屋涂料,抗粉化性比滑石粉更強(qiáng)。瓷土已廣泛地應(yīng)用于金屬底漆,以提高其打磨性能。煅燒瓷土在室內(nèi)平光墻面漆和需要平整涂膜的涂料中用量不斷增加。這類品種的粒徑極細(xì),用于彩色半光和有光涂料中能降低浮色和漂浮傾向。在溶劑型涂料中,有些品種瓷土容易沉底結(jié)塊,但經(jīng)過煅燒和表面處理后的品種可克服上述弊端。由于瓷土親水,所以是水性涂料用的良好的填料,它們?cè)谒酝苛现芯哂泻芎玫膽腋⌒阅,容易分散,且賦予涂膜良好的刷涂和流平性。瓷土通常與其它填料一起配用。
硫酸鈣:CaSO4和CaSO4•2H2O
這類填充顏料以兩種基本形態(tài)存在:無水石膏和石膏(或石膏粉)。在涂料工業(yè)中廣為應(yīng)用的只有第一種形態(tài)。無水石膏可通過煅燒石膏而制得。無水石膏色澤明亮,在涂料中分散良好,可用于一些有光涂料以及要求其特殊性能的其它類型產(chǎn)品中。
無水硫酸鈣稍溶于水并形成石膏,所以在乳膠漆中應(yīng)用貯存時(shí)會(huì)形成細(xì)長(zhǎng)狀結(jié)晶體。然而正是這種水溶性使其能與乳膠漆中某些組份反應(yīng),因而無水石膏粉的應(yīng)用十分有限。
重晶石或硫酸鋇:BaSO4
實(shí)用的硫酸鋇填充顏料有兩種形態(tài):研磨后的重晶石粉以及沉淀硫酸鋇。在通過研磨和漂洗工藝生產(chǎn)重晶石粉過程中,近期的進(jìn)展是改進(jìn)色相和細(xì)度;而且有優(yōu)異色相和更細(xì)粒徑的沉淀法硫酸鋇在涂料工業(yè)中尚未大量應(yīng)用,因?yàn)榍罢咭涯軡M足要求,且成本更低。硫酸鋇的主要用途是工業(yè)底漆,包括汽車底漆。因?yàn)槲土康停芏却,粒狀或球形結(jié)構(gòu),所以具有良好的填充性能,有助于光澤并具有良好的保光性。硫酸鋇幾乎都用于頭道漆光澤很重要的這類涂料中。化學(xué)隋性使其在高酸性條件下應(yīng)用的某引起需要抗化學(xué)性涂料中是大有價(jià)值的。
二氧化硅:SiO2
實(shí)用的二氧化硅有三種不同類型:(1)將石英進(jìn)行研磨和分級(jí)而制得的普通二氧化硅;(2)硅藻土;(3)合成二氧化硅;
(1)石英型或結(jié)晶型二氧化硅:用途相當(dāng)有限。這類填料分散困難,容易沉底結(jié)塊。由于不耐磨,所以在輥磨或球磨中研磨時(shí)會(huì)嚴(yán)重變色。它是木器填充劑中所用的主要填料,為此,它具有良好的綜合性能,吸油量低導(dǎo)致收縮性也低,與基料不起反應(yīng),涂膜粗糙度良好。
(2)硅藻土或無定形二氧化硅:由于消光效果好,這類二氧化硅用途很廣。其二氧化硅含量大約為83%~95%。大多數(shù)產(chǎn)品是白色,少數(shù)是淺灰、淺粉或米色。表觀密度低,吸油量高,加上不規(guī)則的結(jié)構(gòu),這些綜合因素使其產(chǎn)生很高的消光效應(yīng)、增稠能力和良好的懸浮性能。硅藻土廣泛地應(yīng)用于內(nèi)用平光墻面涂料。由于孔隙多,質(zhì)地脆,所以對(duì)平光墻面涂料的去污和耐擦洗性能有負(fù)面影響,但比其它多數(shù)填料在磨擦和洗滌之后更能增亮光澤。這類二氧化硅也已用于戶外房屋涂料消光,有報(bào)道說有助于綜合耐久性,具體應(yīng)用比例根據(jù)稠度、刷涂性和流動(dòng)性結(jié)果而定。制漆中不用研磨只用高速攪拌或卵石磨進(jìn)行簡(jiǎn)短分散是有利的,否則,這種二氧化硅的脆性粒子可能被破壞,從而大大降低其消光能力和在涂料中的懸浮性能。由于在涂料生產(chǎn)中二氧化硅粒徑明顯降低是不現(xiàn)實(shí)的,所以仔細(xì)選擇硅藻土的品牌并用Hegman計(jì)測(cè)定細(xì)度是非常重要的。
(3)合成二氧化硅:這也是一種無定形二氧化硅,通過合成法生產(chǎn),消光能力很強(qiáng),適用于硝基噴漆、清漆和磁漆以降低光澤。
云母:K2O•3Al2O3•6SiO2•2H2O
云母中包含有組成和性質(zhì)各不相同的幾種礦物,由上式表示的白云母是云母粉填料常用的原料。云母以象書本一樣多層晶狀薄片體形式存大于自然界。當(dāng)?shù)V石在壓縮空氣作用下剝離成碎片,再經(jīng)過濕磨和干粉便制得云母填料。濕磨后品種用途最廣,粒徑相當(dāng)大,約為325目( 43μm)。也有粒徑僅為5~10μm的品種。云母具有獨(dú)特的片狀結(jié)構(gòu),這是其賦予涂膜特殊性能的根本原因,包括增強(qiáng)涂膜的機(jī)械力,增加水份或濕氣滲透過涂膜所必須通過的路徑的長(zhǎng)度。在油性房屋用漆中加入少量云母粉可防止產(chǎn)生裂紋;在墻用乳膠漆中也具有防裂和改進(jìn)洗刷性功能。云母粉在涂料中的用量比例一般很低,只有顏填料總量的5%。少量云母可作為一些美國聯(lián)邦規(guī)格結(jié)構(gòu)鋼材底漆的一種特殊組分,能提高耐鹽霧性和耐久性。在戶外涂料中,云母通過反映光線而賦予涂膜亮光,這對(duì)于有些產(chǎn)品是很重要的。
硅酸鈣:CaSiO3
由硅灰石制得的硅酸鈣具有針狀結(jié)構(gòu),良好的亮度和很低的吸油量,適用于油性房屋涂料,平光或半光內(nèi)用涂料和乳膠涂料。其pH約為9.9,在堿性條件下的乳膠漆中能起到緩沖作用。
合成硅酸鈣是一種水合硅酸硅酸鈣,由硅藻土和石灰經(jīng)水熱反應(yīng)制得。粒形可由“園形”到針狀而變化。所有品種的平均粒徑都為1.6~3.8μm,屬于膠體范圍。其較好的品種為白色。這類填料性能比硅藻土優(yōu)越,其極高的吸油量意味著具有很強(qiáng)的消光能力和高干遮蓋效應(yīng)。在涂料中應(yīng)用比例不大,只有填料總量的10%。其吸水量特高,生產(chǎn)商推薦用于乳膠漆。